Быстрый и неинвазивный электронный нос для обнаружения COVID

npj Digital Medicine, том 5, Номер статьи: 115 (2022) Цитировать эту статью

7325 Доступов

14 цитат

28 Альтметрика

Подробности о метриках

Метод количественной полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией (RT-qPCR) широко используется для выявления коронавируса 2 тяжелого острого респираторного синдрома (SARS-CoV-2). Однако вместо того, чтобы использовать его отдельно, врачи часто предпочитают диагностировать коронавирусную болезнь 2019 (COVID-19), используя комбинацию клинических признаков и симптомов, лабораторных тестов, методов визуализации (например, компьютерной томографии грудной клетки) и многовариантного клинического прогноза. модели, включая электронный нос. Здесь мы сообщаем о разработке и использовании недорогого неинвазивного метода быстрого обнаружения COVID-19 на основе портативного электронного носа (GeNose C19), объединяющего массив металлооксидных полупроводниковых газовых датчиков, оптимизированное извлечение признаков и машинное обучение. модели. Этот подход был оценен в профилирующих тестах, включающих в общей сложности 615 проб дыхания, состоящих из 333 положительных и 282 отрицательных проб. Образцы были получены от 43 положительных и 40 отрицательных пациентов с COVID-19 соответственно и подтверждены с помощью RT-qPCR в двух больницах, расположенных в Особом регионе Джокьякарта, Индонезия. Четыре различных алгоритма машинного обучения (т.е. линейный дискриминантный анализ, машина опорных векторов, многослойный перцептрон и глубокая нейронная сеть) были использованы для определения наиболее эффективных методов распознавания образов и получения высокой точности обнаружения системы (88–95%). уровни чувствительности (86–94%) и специфичности (88–95%) из наборов тестовых данных. Наши результаты показывают, что GeNose C19 можно рассматривать как высокопотенциальный алкотестер для быстрого скрининга на COVID-19.

Контагиозные коронавирусы могут вызывать кишечные и респираторные инфекции у людей и животных1,2. Появление нового коронавируса, официально названного коронавирусом тяжелого острого респираторного синдрома 2 (SARS-CoV-2), создало серьезные проблемы для глобального здравоохранения. Инфекция SARS-CoV-2, вызывающая коронавирусную болезнь 2019 года (COVID-19), была обнаружена в конце 2019 года в Ухане, провинция Хубэй, Китай, и впоследствии распространилась как возбудитель продолжающейся и эскалации пандемии в более чем 200 странах и территориях. по всему миру3,4,5. В то время как другие ранее обнаруженные человеческие коронавирусы (например, HCoV-OC43, HCoV-NL63, HCoV-229E и HKU1) вызывали лишь легкие заболевания верхних дыхательных путей у иммунокомпетентных пациентов, SARS-CoV-2 считается третьим смертельным патогенным коронавирусом в мире. последние два десятилетия после появления SARS-CoV (2002–2003 гг.) в провинции Гуандун, Китай, и коронавируса ближневосточного респираторного синдрома (MERS-CoV, 2012 г.) в странах Ближнего Востока1,6. Пандемия COVID-19 связана со значительным количеством смертей, особенно среди пожилых людей и групп населения с ослабленным иммунитетом.

Метод количественной полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией (RT-qPCR) регулярно используется для подтверждения диагноза COVID-19 с начала пандемии. На сегодняшний день этот диагностический метод, позволяющий обнаружить рибонуклеиновую кислоту (РНК) SARS-CoV-2, стал наиболее широко распространенным тестом для обнаружения SARS-CoV-27. Могут быть использованы различные клинические образцы (т.е. мазки из носа и глотки, мокрота, фекалии, кровь, жидкость бронхоальвеолярного лаважа и моча)8. Несколько компаний и лабораторий разработали наборы для обнаружения на основе ПЦР, нацеленные как минимум на два региона (гена) генома SARS-CoV-2. RT-qPCR известна своей высокой специфичностью по сравнению с другими диагностическими методами (например, анализами обнаружения антигенов на антителах и белках нуклеокапсида). Тем не менее, RT-qPCR по-прежнему имеет несколько ограничений (например, необходимость проведения профессиональными медицинскими работниками, необходимость проведения в специализированной лаборатории, инвазивная процедура отбора проб и высокая стоимость)9. В развитых странах проведение массовых исследований RT-qPCR в качестве средства скрининга и эпидемиологического контроля является обычной практикой из-за их богатых ресурсов. Однако для развивающихся стран, особенно со средним и низким уровнем дохода, такие возможности считаются роскошью. Тем не менее, прекращение пандемий означает обеспечение того, чтобы все страны мира имели возможность проводить массовый и быстрый скрининг, продолжающийся с выборочной изоляцией и контролем.

1.5) and low (<1) ratios, respectively61,62. After the third exhaled breath had been inserted into the sampling bag, its valve had to be quickly closed to avoid any air leakages (see Fig. 2a(2)). Lastly, the upper end of the reservoir tube was connected to the HEPA filter. Hence, the valve could subsequently be reopened, allowing the airflow to occur from the bag to the GeNose C19 machine (Fig. 2a(3)). Such a similar breath sampling concept has already been employed in various off-line breathomics pipelines60./p>100 μm when humans performed different actions (i.e., breathing, talking, sneezing, and coughing)63. For normal breathing, particles with diameters of <0.8–2.0 μm were mostly observed63,64. In other clinical investigations, a similar high-grade HEPA filter was placed between the bag valve and patient mask during preoxygenation in the intubation procedure for patients with COVID-1965. This filtering technique was also used to safely deliver aerosolized medications to COVID-19 patients, avoiding the aggravation of the novel coronavirus spreading66. Despite the adequate proofs of the HEPA filter effectiveness in trapping the aerosolized virus-containing particles from other reports65,66, we conducted additional investigations for the air trajectory part (pneumatic PTFE tube) after GeNose C19 was used to measure the exhaled breath of a confirmed positive COVID-19 patient. Our examinations revealed that the taken sample of the inner tube part was confirmed negative in the RT-qPCR test, which indicates the successful removal of the coronaviruses from the airways in the fiber filter. Thus, they did not contaminate the other components inside the sensing unit. In other words, the exhaust air produced by GeNose C19 can be safely released to the ambient environment and will not further transmit airborne viruses./p>